[工学]化学反应工程学讲义

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1、 教学大纲一、 课程的目的及任务化学反应工程是化学工程学科的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变规律、传递规律及其化学反应的影响，以达到反应器的开发、设计和放大以及优化操作的目的。化学反应工程课程是化学工程与工艺类专业的一门技术基础课，是在学生学完物理化学和化工原理等课程之后的一门必修的主干课程。课程的教学时数为学时。通过本门课程的学习，学生应比较牢固地掌握化学反应工程最基本的原理和计算方法，能够理论联系实际，增长提出问题、分析问题和解决问题的能力。 二、 课程的基本要求下面大体分为了解、理解、掌握三个层次来阐明，体现要求的深度。 反应动力学掌握化学反应速率的不同表示方式

2、及其相互关系。理解反应进度的意义。掌握转化率、收率和选择性的概念及其在反应器设计计算中的应用。理解温度和浓度对反应速率的影响。掌握速率议程的变换与应用。理解可逆反应、平行反应及连串反应的动力学特征。掌握复合反应系统反应组分的转化速率或生成速率的计算方法。了解多相催化作用和固体催化剂，理解气体在固体催化剂表面上的吸附及吸附等温线，掌握定态近似及速率控制概念，学会推导多相催化反应速率方程的方法。 理解用实验确定反应速率方程的方法，及用实验数据对动力学参数估值。 多相系统中的反应与传递理解多相催化反应过程的步骤和判断速率控制步骤。了解流体与催化剂颗粒外表面间的传质和传热对多相催化反应速率及选择性的影

3、响。了解外扩散有效因子的概念。理解气体在多孔颗粒中的扩散类型及有效系数的概念。掌握等温多孔催化剂上气相反应扩散微分方程的建立和求解方法。掌握内扩散有效因子的概念及一级反应内扩散有效因子的计算。了解非一级反应内扩散有效因子的估算方法。了解外扩散有效因子的概念。掌握检验外扩散和内扩散对多相催化反应过程速率有无影响的实验方法。 反应器总论了解反应器的基本类型。理解反应器的操作方式，定态操作与非定态操作。理解反应器守恒方程的建立方法。了解反应器工业放大方法。 间歇反应器掌握等温间歇反应器反应时间的计算方法，及由操作时间确定反应体积的方法。理解变温间歇反应器反应时间的计算。了解反应器工业放大方法。 流动

4、反应器深入理解全混流模型和活塞流（平推流）模型的意义，牢固掌握其在流动反应器设计计算中的应用。理解流动反应器反应体积、空时和空速的概念及其应用。 掌握定态下全混流反应器反应体积及反应物颁布的计算方法，以及定态下串联或并联操作的全混流反应器的计算。根据化学反应的不同类型能正确地选择全混流反应器的连接方式，加料方式，原料浓度及操作温度。掌握全混流反应器热量衡算式的建立及应用。了解全混流反应器的多定态特性，着火点和熄火点。掌握等温活塞流反应器热量衡算式的建立及应用。能根据化学反应的特点选择活塞流反应器的最佳操作温度条件，掌握绝热和非绝热活塞反应器的反应体积及反应产物分布的计算方法。能根据化学反应的类

5、型选定活塞流反应器的加方式、原料浓度及温度。了解循环反应器的特征和计算方法。 停留时间分布与反应器的流动模型理解流动系统停留时间分布的意义及其数学表达式。掌握停留时间分布的实验测定方法。理解和会用全混流反应器和活塞流反应器的停留时间分布的表达式，理解反应器偏离理想流动的原因。掌握返混的概念。理解多釜串联模型、轴向扩散模型和离析流模型的物理含义和数学模型建立的基本思路，能根据反应器停留时间分布的实验测定数据，确定模型参数。理解等温非理想反应器进行简单反应时最终转化率的计算方法。了解流体的微观混合与宏观混合，及其对流动反应器转化率的影响。 气固相催化反应器 理解固定床自由化反应器的主要类型及其结构

6、特点。掌握固定床压力降的计算方法。了解固定床的轴向与径向传热和传质。掌握固定床催化反应器拟均相活塞流模型方程的建立和应用。理解考虑内扩散影响时的计算方法。掌握绝热式固定床催化反应器催化剂用量的计算方法。了解多段绝热式固定床催化反应的优化原则。掌握换热式固定床催化反应器床层轴向温度的变化规律及其影响因素和利用热点（或冷点）的位置变动判断反应器操作工况。了解换热式固定床催化反应器的设计优化问题，参数敏感性问题以及飞温和失控现象。了解自热式固定床催化反应器的操作工况。 了解液化床催化反应器的主要结构及操作，两相理论的概念及床层中气泡行为。了解实验室反应器的主要类型及其特点。三、学时安排本科四年制化学

7、工程与工艺专业适用（学时） 第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章 3 9 1089 11 833返回第一章 概 述无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：图1.1典型的化学加工过程第和两部分属于单元操作的研究范围；而部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。 上图为厂区夜景，点击可进入有更多介绍工厂及设备的图片第一节 化学反应工程 一、化学反应工程的研究对象化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。 反应动力学-研究化学反应进行的机理

8、和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等其中速率方程可表示为：r=f（T、P）（对于一定的反应物系）而言-随时间、空间变化其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量，P为系统的总压。 反应器设计分析-研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。注意：化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器总体的性态。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。二、化学反应的分类（反应工程学科）无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和

9、应用，将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。 例如： 为一气固催化反应三、反应过程的举例一般来说反应过程包括: 物理现象-传递现象(热量、动量和能量传递过程) 化学现象-化学反应概括为三传一反。例如：对于反应过程 实际的反应过程可能包括： 反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程 无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反应物气体存在温差 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。四、化学反应工程作用 对于化学产品和加工过程的开发、反应器的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程

10、知识可以： 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期 对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效率 开发环境友好的绿色生产路线和工艺五、 化学反应工程的建立过程化学反应工程是建立在数学、物理及化学等基础学科上而又有自己特点的应用学科分支，是化学工程学科的组成部分，从学科建立至今时 间标志性成果代表人物20世纪30年代 （萌芽阶段）对扩散、流体流动和传对反应过程影响的深刻认识丹克来尔(mhohler)梯尔（Thiele）史尔多维奇20世纪40年代 （系统化） 化学过程原理和化学动力学中的扩散与传热出现，对学科形成奠定了基础 霍根（Hougen）华生（Waston） 20世纪50年代（学科确立）

11、学科确立，学科第一次国际性的学术会议在欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一术语丹克沃茨（Dankwerts)泰勒（Taylor）烈文斯彼尔 (Levenspiel)20世纪60年代(学科发展状大)石油化工的发展要求生产的大进化，产品的多样化和深加工促进了实验研究和生产实际的结果，产品研发周期缩短 120世纪80年代到90年代中期(学科交叉和新技术运用)计算机和徽电子技术普遍应用实现了反应器的精确控制问题。通过与其它学科的交驻形成了一系列新的交叉学科。此外,反应与分离过程的结合出现了多功能反应器220世纪90年代环境保护意识的深厚感情对化学反应工程学科提出了新的要求、新的环境友好、原子经济的绿

12、色反应工艺的出现，对能源开发和存放利用的贡献第二节 转化率、收率和选择性一、 反应进度对于反应： （例如：） 转化量为：从而有： 或者 二、 转化率 X-针对反应物而言定义：注意： 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来为X是不一样的 关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100% 计算基准：起始状态选择问题（分母部分的计量）使用的原则：对于连续反应器，进口处的状态间歇反应器，开始反应时的状态串联使用的反应器，进入第一个反应器的原料为准这样有利于计算和比较 单程转化率和全程转化率的区别如图1.2所示的甲醇合成流程简图，生产中采用循环操作，一部

13、分未能转化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全转化反应物的循环，在计算全程转化率时，计算基准为新鲜原料进入反应系统到离开所达到的转化率。而单程转化率是一次性从反应器进入到离开所达到的转化率。两者相比较，全程转化率必定大于单程转化率。图1.2 循环系统转化率的计算例1.1三、收率与选择性-是对反应产物而言的定义： 注意: 对于单一反应 Y=X(关键组分)(无论用哪种产物计算结果均是如此) 对于复杂反应 YX 收率也有单程和全程之分（循环物料系统） 无论是收率还是选择性,还有其它的定义(结果不一样，但说明同样的问题) 转化率X只能说明总的结果，Y说明在转化的反应物件成目的比例，评价复合反应，还有选

14、择性S，其定义为 第三节 化学反应器的类型反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分,可以概括为以下几种类型种类特点应用范围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板均相、多相反应过程均可塔式 (填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程固定床底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能多相反应体系，可以提高传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程图 1.3 反应器的类型和特点(a)管式反应器(b)规整填料塔